針對煤礦巷道掘進中掘進機位姿監(jiān)測精度低、穩(wěn)定性差的問題，采用雙目視覺定位方法，利用紅外濾光捕捉標靶特征，結合HSV顏色空間轉換與特征點匹配算法，提取三維空間坐標；融合機器視覺與慣性導航技術，通過非接觸式測量實現(xiàn)高精度位姿監(jiān)測，提出一種基于機器視覺的組合式位姿監(jiān)測系統(tǒng)?；跈C器視覺的掘進機位姿監(jiān)測系統(tǒng)提升了復雜環(huán)境下掘進機的位姿監(jiān)測精度與作業(yè)安全性，支持路徑規(guī)劃、自動截割等智能功能。

文章來源：《智能礦山》2025年第4期“學術園地”欄目

第一作者：張凱，現(xiàn)任山西高河能源有限公司機電科科長，主要從事煤礦巷道掘進的相關研究工作。E-mail：403469198@qq.com

作者單位：山西高河能源有限公司；山東天河科技股份有限公司

引用格式：張凱，趙婧，張坤，等.基于機器視覺的掘進機位姿監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)[J].智能礦山，2025，6(4)：71-74.

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掘進機作為煤礦巷道掘進的關鍵設備，國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠家的掘進機控制技術都在向自動化、智能化和工作面少人化、無人化的方向發(fā)展，井下掘進設備定位導向系統(tǒng)是實現(xiàn)設備間精確定位、自適應截割和多機協(xié)同作業(yè)的關鍵，掘進機位姿監(jiān)測的準確性直接關聯(lián)掘進效率、巷道成型質量和作業(yè)安全。目前，全礦井掘進工作面綜合管控和設備位姿監(jiān)測方法精度低、穩(wěn)定性差，掘進成套裝備智能管控系統(tǒng)面臨新一輪的技術升級。

掘進機位姿監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

機器視覺技術的快速發(fā)展，在動態(tài)目標導航、跟蹤與控制等領域得到了廣泛應用?；跈C器視覺的掘進機組合式位姿監(jiān)測系統(tǒng)，通過非接觸式測量技術提高掘進機的位姿監(jiān)測精度和穩(wěn)定性。

研發(fā)煤礦智能掘進位姿監(jiān)測控制系統(tǒng)，為綜掘智能化的發(fā)展提供新的解決方案，可實現(xiàn)掘進姿態(tài)和位置的快速調整，提高巷道掘進精度，降低人工及設備維護的成本，減少生產(chǎn)過程的干擾因素，進而提升生產(chǎn)效率，從而極大地增強煤礦企業(yè)的核心競爭優(yōu)勢。

針對懸臂式掘進機，采用機器視覺測量與慣性導航結合的導航定位方案，以安裝在掘進機上的定位定姿測量裝置為導航定位核心，集成了慣導裝置、紅外定位光靶和定位導航算法等處理單元，在掘進機后方有效距離內(nèi)頂板上懸掛安裝航向導引裝置，通過內(nèi)部機器視覺處理單元跟蹤監(jiān)測定位光靶，實現(xiàn)機器視覺單元與慣性導航單元融合數(shù)據(jù)處理，實時跟蹤監(jiān)控掘進機位置坐標和姿態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)掘進機長時間高精度的導航、定位功能。掘進機位姿監(jiān)測系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 掘進機位姿監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

機器視覺位姿識別方法

（1）機器視覺識別

攝像機觀測波長范圍不包括微波，紅外光介于微波和可見光之間，過濾可見光波段即可得到紅外光信息，因此采用在攝像機鏡頭前增加紅外濾光，捕捉紅外光和少量可見光噪聲。

通過工業(yè)相機取流得到mono10像素類型的圖像，將RGB圖像轉換為HSV顏色空間進行顏色過濾。根據(jù)設定的HSV顏色范圍，創(chuàng)建掩膜將圖像中符合顏色范圍的像素置為白色，其他像素置為黑色。在掩膜圖像中尋找標靶目標輪廓，計算輪廓最小外接矩形，返回矩形的中心坐標、尺寸和旋轉角度，將符合條件的目標保留，得到了每個像素坐標系下的標靶燈中心的像素坐標。通過灰度轉換、邊緣增強等預處理操作，提高后續(xù)特征點檢測的準確性。

（2）三維定位識別

標定2個相機確定相機的內(nèi)參和外參。內(nèi)參包括相機焦距、主點坐標和畸變參數(shù)，外參包括相機旋轉矩陣和平移向量。標定通過拍攝特定的標定板，利用標定板上的已知點和相機圖像中對應點的關系計算相機的內(nèi)參和外參。

通過2個相機同時獲取同場景圖像，特征提取出圖像中的特征點，即標靶紅外燈的中心坐標。將左右相機的圖像特征進行匹配，找到2個圖像中對應的特征點。根據(jù)特征點在2個圖像中的像素位置差異，計算出視差值。視差值與目標物體在相機坐標系中的深度成反比，即視差越大，物體離相機越近。

（3）姿態(tài)解算識別

三角測量姿態(tài)解算用于確定物體在三維空間中的姿態(tài)。基于3個或多個已知點的位置信息，通過測量其與目標物體的相對位置關系計算出目標物體的姿在三角測量姿態(tài)解算中，收集三維空間中的位置信息，即標靶紅外燈坐標信息。

由于測量誤差和噪聲，姿態(tài)解算結果存在誤差。為提高解算結果準確性，結合IMU提供的加速度、角速率數(shù)據(jù)，運用擴展卡爾曼濾波算法，校正視覺測量得到的相對位移和角度信息，優(yōu)化姿態(tài)解算的結果。通過算法迭代調整姿態(tài)解算參數(shù)，以使得計算結果更加準確。通過調節(jié)最小化目標函數(shù)，使得計算結果與實際觀測值之間的差異最小化。

機器視覺位姿檢測系統(tǒng)組成

掘進機機器視覺的位姿檢測系統(tǒng)包括激光導引裝置和位姿測量裝置，激光導引裝置與位姿測量裝置采用433 MHz微波無線通信方式，進行跟蹤、定位和導航數(shù)據(jù)通信；安裝在掘進機本體上的位姿測量設備通過CAN接口或RJ45網(wǎng)口向掘進機電控箱傳輸位姿測量結果與系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。掘進機導航定位系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 掘進機導航定位系統(tǒng)組成

3.1 激光導引裝置

通過頂錨桿或懸掛方式將激光導引裝置固定板吊裝在巷道頂板上，將激光導引裝置通過底部螺釘固定在固定板上，按標準接通AC127 V電源，調整激光導引裝置底部的調節(jié)裝置，將指向激光穿過懸掛在巷道頂棚上的鉛垂線，保證指向激光與巷道中線方向的掘進航向一致，激光導引裝置的視窗正對面向安裝在掘進機本體上的位姿測量裝置，激光導引裝置安裝示意如圖3所示。

圖3 激光導引裝置安裝示意

3.2 位姿測量裝置

位姿測量裝置安裝固定在掘進機本體后部，光靶面正對安裝在頂板上的激光導引裝置，保證視距可達且無遮擋；按標準接通AC127 V電源，位姿檢測系統(tǒng)接入智能掘進軟件平臺，通過軟件界面修改參數(shù)或監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)進行聯(lián)機測試，位姿測量裝置安裝如圖4所示，機器視覺位姿系統(tǒng)技術參數(shù)見表1。

圖4 位姿測量裝置安裝

表1 掘進機機器視覺的位姿系統(tǒng)參數(shù)

3.3 機器視覺位姿檢測系統(tǒng)優(yōu)點

（1）基于機器視覺的位姿檢測系統(tǒng)依托高精度慣性導航、機器視覺組合導航技術和粉塵自適應處理技術，解決了懸臂式掘進機工作過程中高濕高塵環(huán)境影響，實現(xiàn)穩(wěn)定導航定位監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸。

（2）位姿檢測系統(tǒng)以較高頻率提供掘進機運動軸、截割頭等關鍵控制位置的實時坐標和姿態(tài)信息，配合掘進機實現(xiàn)路徑規(guī)劃、V形移機、自動導航與自動截割等智能操作功能。

（3）適應掘進機大航向姿態(tài)的位置測量，滿足移機過程中的大角度擺動工況。

試驗驗證

為驗證基于機器視覺的掘進機組合式位姿監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和可靠性，在山西潞安高河能源有限公司進行了實地測試。測試過程中在掘進作業(yè)場景采集了大量試驗數(shù)據(jù)。通過對比分析試驗數(shù)據(jù)與理論值的差異，驗證系統(tǒng)定位精度和穩(wěn)定性。試驗結果表明系統(tǒng)提高了掘進機在復雜煤礦巷道中的位姿監(jiān)測精度和作業(yè)安全性，基于機器視覺的現(xiàn)場作業(yè)施工場景如圖5所示。

圖5 基于機器視覺的現(xiàn)場作業(yè)施工場景

結 語

基于機器視覺的掘進機組合式位姿監(jiān)測系統(tǒng)集成了視覺測量與慣性導航的優(yōu)勢，提高了位姿檢測的精度和魯棒性，降低了對硬件配置的要求，簡化了現(xiàn)場安裝調試過程，實現(xiàn)了掘進機在掘進過程中的高精度、高穩(wěn)定性位姿監(jiān)測。

未來將繼續(xù)優(yōu)化算法設計，探索更高效的特征點識別算法，優(yōu)化數(shù)據(jù)融合策略，進一步降低監(jiān)測時延，提高數(shù)據(jù)融合效率和定位精度，更好地服務于智能礦山建設，促進礦業(yè)行業(yè)數(shù)字化轉型和智能化升級，同時研究新型傳感器在掘進機位姿監(jiān)測中的應用，推動煤礦自主化掘進的新發(fā)展。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業(yè)最大最權威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領域產(chǎn)學研用新進展的綜合性技術刊物。

主編：王國法院士

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